电力电子变压器中双有源桥DC/DC变换器的研究

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新能源发电、分布式电源的推广极大的促进了智能电网的发展,传统的工频变压器已不能满足其性能要求,电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)被认为是用于替代工频变压器理想的电气设备,它是一个具有电气隔离、电压变换、功率调节与控制、可再生能源并网接入等多种功能的智能化电力电子设备,是未来电网在智能、灵活、多样性发展的核心元件。作为电力电子变压器中间级的双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)DC/DC变换器因具有高功率密度、模块化结构、简易可行的控制策略以及功率双向传输等优点引起了广泛的关注。本文以双有源全桥DC/DC变换器为研究对象。首先详细介绍了用于变换器的三种控制策略(移相控制、单PWM移相控制、双PWM移相控制)的工作原理,推导出不同控制方式下变换器的功率传输数学表达式。其次分析了变换器的损耗模型。系统损耗主要集中在开关损耗、磁性损耗、线路损耗和回流功率四个方面;通过降低电感峰值电流可以减少磁性损耗、线路损耗以及回流功率;软开关技术应用于双有源桥直流变换器中可以减小开关损耗从而大幅度提高系统效率,因此重点研究了不同控制策略实现软开关技术的边界条件。在上文研究基础上,针对双有源桥DC/DC变换器在轻载时具有回流功率大,电感电流峰值高,不能实现软开关的问题,提出基于双PWM移相控制的优化控制方法。采用相量分析法建立系统传输功率、回流功率、电感电流的数学模型,明确各个控制量的物理意义,降低传统积分法建模过程的运算量,分析双PWM移相控制端电压的相量图,得到电压的变化区域;提出电压三角形概念,对其进行分析得到优化控制策略移相角的最优组合,降低电感电流峰值,减少系统回流功率;结合软开关开通条件,降低变换器的通态损耗,最终提高系统的输出效率。最后在MATLAB/Simulink中搭建双有源桥直流变换器的仿真模型,对提出的基于双PWM移相的优化控制策略进行仿真。仿真结果表明优化后的控制策略可以很好的解决系统在轻载时电感电流峰值大,功率回流明显等问题,当负载从轻载变化到额定负载时,双PWM移相控制都有较高的工作效率,最高达到90.25%,平均传输效率在87.67%以上,证明了该控制策略的有效性和正确性。
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